Brown a découvert le noyau cellulaire. Mouvement brownien - l'histoire du développement de la chimie colloïdale

Le botaniste écossais Robert Brown (parfois son nom de famille est transcrit comme Brown) a reçu de son vivant, en tant que meilleur expert en plantes, le titre de «Prince des botanistes». Il a fait de nombreuses découvertes merveilleuses. En 1805, après une expédition de quatre ans en Australie, il apporta en Angleterre environ 4 000 espèces de plantes australiennes inconnues des scientifiques et passa de nombreuses années à les étudier. Plantes décrites importées d'Indonésie et d'Afrique centrale. Il a étudié la physiologie végétale et a pour la première fois décrit en détail le noyau d'une cellule végétale. L'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg l'a nommé membre honoraire. Mais le nom du scientifique est désormais largement connu, ce n'est pas à cause de ces travaux.

En 1827, Brown mena des recherches sur le pollen des plantes. Il s'est particulièrement intéressé à la manière dont le pollen participe au processus de fécondation. Une fois, il a examiné au microscope les cellules polliniques d’une plante nord-américaine. Clarkia pulchella(jolie clarkia) grains cytoplasmiques allongés en suspension dans l'eau. Soudain, Brown vit que les plus petits grains solides, à peine visibles dans une goutte d'eau, tremblaient et se déplaçaient constamment d'un endroit à l'autre. Il a constaté que ces mouvements, selon ses termes, «ne sont associés ni aux écoulements dans le liquide ni à son évaporation progressive, mais sont inhérents aux particules elles-mêmes».

L'observation de Brown a été confirmée par d'autres scientifiques. Les plus petites particules se comportaient comme si elles étaient vivantes, et la « danse » des particules s'accélérait avec l'augmentation de la température et la diminution de la taille des particules et ralentissait clairement lors du remplacement de l'eau par un milieu plus visqueux. Ce phénomène étonnant ne s’est jamais arrêté : il pouvait être observé aussi longtemps qu’on le souhaitait. Au début, Brown pensait même que les êtres vivants tombaient effectivement dans le champ du microscope, d'autant plus que le pollen était constitué des cellules reproductrices mâles des plantes, mais qu'il y avait aussi des particules de plantes mortes, même celles séchées cent ans plus tôt dans les herbiers. Brown se demanda alors s’il s’agissait de « molécules élémentaires des êtres vivants », dont parlait le célèbre naturaliste français Georges Buffon (1707-1788), auteur d’un livre en 36 volumes. Histoire naturelle. Cette hypothèse a disparu lorsque Brown a commencé à examiner des objets apparemment inanimés ; il s'agissait d'abord de très petites particules de charbon, ainsi que de suie et de poussière de l'air de Londres, puis de substances inorganiques finement broyées : du verre, de nombreux minéraux différents. Les « molécules actives » étaient partout : « Dans chaque minéral, écrit Brown, que j'ai réussi à pulvériser au point qu'il puisse être suspendu dans l'eau pendant un certain temps, j'ai trouvé, en plus ou moins grande quantité, ces molécules. ".

Il faut dire que Brown ne possédait aucun des derniers microscopes. Dans son article, il souligne spécifiquement qu'il possédait des lentilles biconvexes ordinaires, qu'il a utilisées pendant plusieurs années. Et il poursuit : « Tout au long de l’étude, j’ai continué à utiliser les mêmes lentilles avec lesquelles j’ai commencé le travail, afin de donner plus de crédibilité à mes affirmations et de les rendre aussi accessibles que possible aux observations ordinaires. »

Or, pour répéter l'observation de Brown, il suffit de disposer d'un microscope peu puissant et de l'utiliser pour examiner la fumée dans une boîte noircie, éclairée par un trou latéral avec un faisceau de lumière intense. Dans un gaz, le phénomène se manifeste beaucoup plus clairement que dans un liquide : de petits morceaux de cendres ou de suie (selon la source de la fumée) sont visibles, diffusant la lumière et sautillant continuellement d'avant en arrière.

Comme cela arrive souvent en science, des années plus tard, les historiens ont découvert qu'en 1670, l'inventeur du microscope, le Néerlandais Antonie Leeuwenhoek, avait apparemment observé un phénomène similaire, mais la rareté et l'imperfection des microscopes, l'état embryonnaire de la science moléculaire à cette époque n'a pas attiré l'attention sur l'observation de Leeuwenhoek, la découverte est donc attribuée à juste titre à Brown, qui fut le premier à l'étudier et à la décrire en détail.

Mouvement brownien et théorie atomique-moléculaire.

Le phénomène observé par Brown est rapidement devenu largement connu. Il a lui-même montré ses expériences à de nombreux collègues (Brown cite une vingtaine de noms). Mais pendant de nombreuses années, ni Brown lui-même ni de nombreux autres scientifiques n’ont pu expliquer ce phénomène mystérieux, appelé « mouvement brownien ». Les mouvements des particules étaient complètement aléatoires : les croquis de leurs positions réalisés à différents moments (par exemple toutes les minutes) ne permettaient pas à première vue de retrouver un quelconque motif dans ces mouvements.

Une explication du mouvement brownien (comme on appelait ce phénomène) par le mouvement de molécules invisibles n'a été donnée que dans le dernier quart du XIXe siècle, mais n'a pas été immédiatement acceptée par tous les scientifiques. En 1863, Ludwig Christian Wiener (1826-1896), professeur de géométrie descriptive de Karlsruhe (Allemagne), suggéra que le phénomène était associé aux mouvements oscillatoires d’atomes invisibles. Ce fut la première explication, bien que très loin d’être moderne, du mouvement brownien par les propriétés des atomes et des molécules elles-mêmes. Il est important que Wiener ait vu l’opportunité d’utiliser ce phénomène pour percer les secrets de la structure de la matière. Il fut le premier à tenter de mesurer la vitesse de déplacement des particules browniennes et sa dépendance par rapport à leur taille. Il est curieux qu'en 1921 Rapports de l'Académie nationale des sciences des États-Unis Un ouvrage a été publié sur le mouvement brownien d'un autre Wiener - Norbert, le célèbre fondateur de la cybernétique.

Les idées de L.K. Wiener ont été acceptées et développées par un certain nombre de scientifiques - Sigmund Exner en Autriche (et 33 ans plus tard - son fils Felix), Giovanni Cantoni en Italie, Karl Wilhelm Negeli en Allemagne, Louis Georges Gouy en France, trois prêtres belges. - Jésuites Carbonelli, Delso et Tirion et autres. Parmi ces scientifiques se trouvait le célèbre physicien et chimiste anglais William Ramsay. Il est progressivement devenu clair que les plus petits grains de matière étaient heurtés de tous côtés par des particules encore plus petites, qui n'étaient plus visibles au microscope - tout comme les vagues qui balancent un bateau lointain ne sont pas visibles depuis le rivage, tandis que les mouvements du bateau eux-mêmes sont clairement visibles. Comme ils l'écrivaient dans l'un des articles de 1877, « ... la loi des grands nombres ne réduit plus l'effet des collisions à une pression uniforme moyenne ; leur résultante ne sera plus égale à zéro, mais changera continuellement de direction et de direction ; ordre de grandeur."

Qualitativement, l'image était tout à fait plausible et même visuelle. Une petite brindille ou un insecte devrait se déplacer à peu près de la même manière, poussé (ou tiré) dans des directions différentes par de nombreuses fourmis. Ces particules plus petites faisaient effectivement partie du vocabulaire des scientifiques, mais personne ne les avait jamais vues. On les appelait des molécules ; Traduit du latin, ce mot signifie « petite messe ». Étonnamment, c'est exactement l'explication donnée à un phénomène similaire par le philosophe romain Titus Lucretius Carus (vers 99-55 av. J.-C.) dans son célèbre poème Sur la nature des choses. Il y appelle les plus petites particules invisibles à l’œil les « principes primordiaux » des choses.

Les principes des choses se meuvent d’abord eux-mêmes,
À leur suite se trouvent des corps issus de leur plus petite combinaison,
Proche, pour ainsi dire, en force des principes premiers,
Cachés d'eux, recevant des chocs, ils commencent à lutter,
Eux-mêmes à bouger, encourageant alors des corps plus grands.
Donc, depuis le début, le mouvement petit à petit
Cela touche nos sentiments et devient visible aussi
Pour nous et dans les grains de poussière qui bougent au soleil,
Même si les secousses qui en résultent sont imperceptibles...

Par la suite, il s'est avéré que Lucrèce avait tort : il est impossible d'observer le mouvement brownien à l'œil nu, et les particules de poussière d'un rayon de soleil qui a pénétré dans une pièce sombre « dansent » en raison des mouvements vortex de l'air. Mais extérieurement, les deux phénomènes présentent certaines similitudes. Et seulement au 19ème siècle. Il est devenu évident pour de nombreux scientifiques que le mouvement des particules browniennes est provoqué par des impacts aléatoires des molécules du milieu. Les molécules en mouvement entrent en collision avec des particules de poussière et d'autres particules solides présentes dans l'eau. Plus la température est élevée, plus le mouvement est rapide. Si un gros grain de poussière, par exemple, a une taille de 0,1 mm (le diamètre est un million de fois plus grand que celui d'une molécule d'eau), alors de nombreux impacts simultanés sur lui de tous les côtés s'équilibrent mutuellement et ce n'est pratiquement pas le cas. "Ressentez-les" - à peu près de la même manière qu'un morceau de bois de la taille d'une assiette ne "sentera" pas les efforts de nombreuses fourmis qui le tireront ou le pousseront dans des directions différentes. Si la particule de poussière est relativement petite, elle se déplacera dans un sens ou dans l’autre sous l’influence des impacts des molécules environnantes.

Les particules browniennes ont une taille de l'ordre de 0,1 à 1 μm, c'est-à-dire d'un millième à un dix millième de millimètre, c'est pourquoi Brown a pu discerner leur mouvement parce qu'il observait de minuscules grains cytoplasmiques, et non le pollen lui-même (dont on parle souvent à tort). Le problème est que les cellules polliniques sont trop grosses. Ainsi, dans le pollen de pâturin des prés, qui est transporté par le vent et provoque des maladies allergiques chez l'homme (rhume des foins), la taille des cellules est généralement comprise entre 20 et 50 microns, c'est-à-dire ils sont trop grands pour observer le mouvement brownien. Il est également important de noter que les mouvements individuels d'une particule brownienne se produisent très souvent et sur de très courtes distances, de sorte qu'il est impossible de les voir, mais au microscope, les mouvements qui se sont produits sur une certaine période de temps sont visibles.

Il semblerait que le fait même de l'existence du mouvement brownien prouvait sans ambiguïté la structure moléculaire de la matière, mais même au début du 20e siècle. Certains scientifiques, notamment des physiciens et des chimistes, ne croyaient pas à l’existence des molécules. La théorie atomique et moléculaire n’a été reconnue que lentement et avec difficulté. Ainsi, le grand chimiste organique français Marcelin Berthelot (1827-1907) a écrit : « Le concept de molécule, du point de vue de nos connaissances, est incertain, tandis qu'un autre concept - celui d'atome - est purement hypothétique. » Le célèbre chimiste français A. Saint-Clair Deville (1818-1881) s'exprime encore plus clairement : « Je n'accepte ni la loi d'Avogadro, ni un atome, ni une molécule, car je refuse de croire en ce que je ne peux ni voir ni observer. » Et le physicien-chimiste allemand Wilhelm Ostwald (1853-1932), prix Nobel, l'un des fondateurs de la chimie physique, au début du XXe siècle. niait résolument l’existence des atomes. Il a réussi à écrire un manuel de chimie en trois volumes dans lequel le mot « atome » n’est même jamais mentionné. S'exprimant le 19 avril 1904, dans un grand rapport à la Royal Institution devant les membres de la Société chimique anglaise, Ostwald tenta de prouver que les atomes n'existent pas et que « ce que nous appelons matière n'est qu'un ensemble d'énergies rassemblées dans un espace donné ». lieu."

Mais même les physiciens qui acceptaient la théorie moléculaire ne pouvaient pas croire que la validité de la théorie atomique-moléculaire était prouvée d'une manière aussi simple, c'est pourquoi diverses raisons alternatives ont été avancées pour expliquer le phénomène. Et cela est tout à fait dans l'esprit de la science : jusqu'à ce que la cause d'un phénomène soit identifiée sans ambiguïté, il est possible (et même nécessaire) de supposer diverses hypothèses, qui devraient, si possible, être testées expérimentalement ou théoriquement. Ainsi, en 1905, un court article du professeur de physique de Saint-Pétersbourg N.A. Gezekhus, professeur du célèbre académicien A.F. Ioffe, a été publié dans le dictionnaire encyclopédique Brockhaus et Efron. Gesehus a écrit que, selon certains scientifiques, le mouvement brownien est provoqué par « des rayons de lumière ou de chaleur traversant un liquide » et se résume à « de simples flux au sein d'un liquide qui n'ont rien à voir avec les mouvements des molécules ». peut être causée par « l’évaporation, la diffusion et d’autres raisons ». Après tout, on savait déjà qu'un mouvement très similaire de particules de poussière dans l'air était précisément provoqué par des flux vortex. Mais l'explication donnée par Gesehus pourrait facilement être réfutée expérimentalement : si vous regardez deux particules browniennes situées très proches l'une de l'autre à l'aide d'un microscope puissant, leurs mouvements s'avéreront complètement indépendants. Si ces mouvements étaient provoqués par des écoulements dans le liquide, alors ces particules voisines se déplaceraient de concert.

Théorie du mouvement brownien.

Au début du 20ème siècle. la plupart des scientifiques ont compris la nature moléculaire du mouvement brownien. Mais toutes les explications restaient purement qualitatives ; aucune théorie quantitative ne pouvait résister aux tests expérimentaux. De plus, les résultats expérimentaux eux-mêmes n'étaient pas clairs : le spectacle fantastique des particules se précipitant sans arrêt hypnotisait les expérimentateurs, et ils ne savaient pas exactement quelles caractéristiques du phénomène devaient être mesurées.

Malgré l'apparent désordre complet, il était encore possible de décrire les mouvements aléatoires des particules browniennes par une relation mathématique. Pour la première fois, une explication rigoureuse du mouvement brownien a été donnée en 1904 par le physicien polonais Marian Smoluchowski (1872-1917), qui travaillait à l'époque à l'Université de Lviv. Parallèlement, la théorie de ce phénomène a été développée par Albert Einstein (1879-1955), un expert de 2e classe alors peu connu au Bureau des brevets de la ville suisse de Berne. Son article, publié en mai 1905 dans la revue allemande Annalen der Physik, était intitulé Sur le mouvement des particules en suspension dans un fluide au repos, requis par la théorie de la cinétique moléculaire de la chaleur. Avec ce nom, Einstein voulait montrer que la théorie cinétique moléculaire de la structure de la matière implique nécessairement l'existence d'un mouvement aléatoire des plus petites particules solides dans les liquides.

Il est curieux qu'au tout début de cet article, Einstein écrive qu'il connaît le phénomène lui-même, quoique superficiellement : « Il est possible que les mouvements en question soient identiques au mouvement moléculaire dit brownien, mais les données disponibles à mon avis, ces dernières sont si inexactes que je ne peux pas formuler une opinion définitive. Et des décennies plus tard, déjà à la fin de sa vie, Einstein a écrit quelque chose de différent dans ses mémoires - qu'il ne connaissait pas du tout le mouvement brownien et qu'il l'avait en fait « redécouvert » de manière purement théorique : « Ne sachant pas que les observations du « mouvement brownien » ont longtemps été connu, j'ai découvert que la théorie atomique conduit à l'existence d'un mouvement observable de particules microscopiques en suspension. Quoi qu'il en soit, l'article théorique d'Einstein se terminait par un appel direct aux expérimentateurs pour tester expérimentalement ses conclusions : « Si un chercheur pouvait bientôt répondre à la question. questions soulevées ici. – il termine son article par une exclamation si inhabituelle.

La réponse à l’appel passionné d’Einstein ne s’est pas fait attendre.

Selon la théorie de Smoluchowski-Einstein, la valeur moyenne du carré du déplacement d'une particule brownienne ( s 2) pour le temps t directement proportionnel à la température T et inversement proportionnelle à la viscosité du liquide h, à la taille des particules r et la constante d'Avogadro

N UN: s 2 = 2RTt/6ph rN UN,

Où R.– constante de gaz. Ainsi, si en 1 minute une particule d'un diamètre de 1 μm se déplace de 10 μm, alors en 9 minutes - de 10 = 30 μm, en 25 minutes - de 10 = 50 μm, etc. Dans des conditions similaires, une particule d'un diamètre de 0,25 μm sur les mêmes périodes de temps (1, 9 et 25 min) se déplacera respectivement de 20, 60 et 100 μm puisque = 2. Il est important que la formule ci-dessus inclue La constante d'Avogadro, qui peut donc être déterminée par des mesures quantitatives du mouvement d'une particule brownienne, réalisées par le physicien français Jean Baptiste Perrin (1870-1942).

En 1908, Perrin commença des observations quantitatives du mouvement des particules browniennes au microscope. Il a utilisé un ultramicroscope, inventé en 1902, qui permettait de détecter les plus petites particules en diffusant sur elles la lumière d'un puissant éclairage latéral. Perrin a obtenu de minuscules boules de forme presque sphérique et à peu près de la même taille à partir de la gomme, la sève condensée de certains arbres tropicaux (elle est également utilisée comme peinture jaune à l'aquarelle). Ces minuscules billes ont été suspendues dans du glycérol contenant 12 % d’eau ; le liquide visqueux empêchait l'apparition de flux internes qui brouilleraient l'image. Armé d'un chronomètre, Perrin notait puis dessinait (bien sûr à une échelle très agrandie) sur une feuille de papier graphique la position des particules à intervalles réguliers, par exemple toutes les demi-minutes. En reliant les points résultants par des lignes droites, il a obtenu des trajectoires complexes, dont certaines sont représentées sur la figure (elles sont tirées du livre de Perrin Atomes, publié en 1920 à Paris). Un mouvement aussi chaotique et désordonné des particules conduit au fait qu'elles se déplacent assez lentement dans l'espace : la somme des segments est bien supérieure au déplacement de la particule du premier point au dernier.

Positions consécutives toutes les 30 secondes de trois particules browniennes - des boules de gomme d'une taille d'environ 1 micron. Une cellule correspond à une distance de 3 µm. Si Perrin pouvait déterminer la position des particules browniennes non pas après 30, mais après 3 secondes, alors les lignes droites entre chaque point voisin se transformeraient en la même ligne brisée en zigzag complexe, mais à une échelle plus petite.

En utilisant la formule théorique et ses résultats, Perrin obtient une valeur du nombre d’Avogadro assez précise pour l’époque : 6,8. . 10 23 . Perrin a également utilisé un microscope pour étudier la distribution verticale des particules browniennes ( cm. LOI D'AVOGADRO) et a montré que, malgré l'action de la gravité, ils restent suspendus en solution. Perrin possède également d'autres œuvres importantes. En 1895, il prouva que les rayons cathodiques sont des charges électriques négatives (électrons) et en 1901, il proposa pour la première fois un modèle planétaire de l'atome. En 1926, il reçut le prix Nobel de physique.

Les résultats obtenus par Perrin confirment les conclusions théoriques d'Einstein. Cela a fait une forte impression. Comme l'écrira bien des années plus tard le physicien américain A. Pais, « on ne cesse d'être étonné de ce résultat, obtenu d'une manière si simple : il suffit de préparer une suspension de billes dont la taille est grande par rapport à la taille de molécules simples, prenez un chronomètre et un microscope, et vous pourrez déterminer la constante d'Avogadro ! On pourrait aussi être surpris : des descriptions de nouvelles expériences sur le mouvement brownien paraissent encore de temps en temps dans des revues scientifiques (Nature, Science, Journal of Chemical Education) ! Après la publication des résultats de Perrin, Ostwald, un ancien opposant à l'atomisme, a admis que « la coïncidence du mouvement brownien avec les exigences de l'hypothèse cinétique... donne désormais au scientifique le plus prudent le droit de parler de preuves expérimentales de la théorie atomique. de matière. Ainsi, la théorie atomique a été élevée au rang de théorie scientifique et fondée. Le mathématicien et physicien français Henri Poincaré lui fait écho : « La brillante détermination du nombre d'atomes par Perrin a achevé le triomphe de l'atomisme... L'atome des chimistes est désormais devenu une réalité. »

Mouvement brownien et diffusion.

Le mouvement des particules browniennes est très similaire en apparence au mouvement des molécules individuelles en raison de leur mouvement thermique. Ce mouvement est appelé diffusion. Même avant les travaux de Smoluchowski et d’Einstein, les lois du mouvement moléculaire étaient établies dans le cas le plus simple de l’état gazeux de la matière. Il s'est avéré que les molécules des gaz se déplacent très rapidement - à la vitesse d'une balle, mais elles ne peuvent pas voler loin, car elles entrent très souvent en collision avec d'autres molécules. Par exemple, les molécules d’oxygène et d’azote présentes dans l’air, se déplaçant à une vitesse moyenne d’environ 500 m/s, subissent plus d’un milliard de collisions chaque seconde. Par conséquent, le chemin de la molécule, s’il était possible de le suivre, serait une ligne brisée complexe. Les particules browniennes décrivent également une trajectoire similaire si leur position est enregistrée à certains intervalles de temps. La diffusion et le mouvement brownien sont une conséquence du mouvement thermique chaotique des molécules et sont donc décrits par des relations mathématiques similaires. La différence est que les molécules des gaz se déplacent en ligne droite jusqu’à ce qu’elles entrent en collision avec d’autres molécules, après quoi elles changent de direction. Une particule brownienne, contrairement à une molécule, n'effectue pas de « vols libres », mais connaît de très fréquents « tremblements » petits et irréguliers, à la suite desquels elle se déplace de manière chaotique dans un sens ou dans l'autre. Les calculs ont montré que pour une particule de 0,1 µm, un mouvement se produit en trois milliardièmes de seconde sur une distance de seulement 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm). Comme le dit si bien un auteur, cela n’est pas sans rappeler le déplacement d’une canette de bière vide sur une place où une foule de personnes se rassemble.

La diffusion est beaucoup plus facile à observer que le mouvement brownien, car elle ne nécessite pas de microscope : les mouvements sont observés non pas de particules individuelles, mais de leurs énormes masses, il suffit de s'assurer que la diffusion ne se superpose pas à la convection - mélange de matière comme un résultat d'écoulements vortex (ces écoulements sont faciles à remarquer en plaçant une goutte d'une solution colorée, telle que de l'encre, dans un verre d'eau chaude).

La diffusion est pratique à observer dans des gels épais. Un tel gel peut être préparé, par exemple, dans un pot de pénicilline en y préparant une solution de gélatine à 4 à 5 %. La gélatine doit d'abord gonfler pendant plusieurs heures, puis elle est complètement dissoute sous agitation en plongeant le pot dans l'eau chaude. Après refroidissement, on obtient un gel non coulant sous forme d'une masse transparente légèrement trouble. Si, à l'aide d'une pince pointue, vous insérez soigneusement un petit cristal de permanganate de potassium (« permanganate de potassium ») au centre de cette masse, le cristal restera suspendu à l'endroit où il a été laissé, puisque le gel l'empêche de tomber. En quelques minutes, une boule de couleur violette commencera à se développer autour du cristal ; avec le temps, elle deviendra de plus en plus grande jusqu'à ce que les parois du pot déforment sa forme. Le même résultat peut être obtenu en utilisant un cristal de sulfate de cuivre, mais dans ce cas, la boule ne deviendra pas violette, mais bleue.

La raison pour laquelle la boule s'est avérée est claire : MnO 4 – les ions formés lors de la dissolution du cristal entrent en solution (le gel est principalement constitué d'eau) et, à la suite de la diffusion, se déplacent uniformément dans toutes les directions, tandis que la gravité n'a pratiquement aucun effet sur le taux de diffusion. La diffusion dans le liquide est très lente : il faudra plusieurs heures pour que la boule grossisse de plusieurs centimètres. Dans les gaz, la diffusion est beaucoup plus rapide, mais néanmoins, si l'air n'était pas mélangé, l'odeur du parfum ou de l'ammoniaque se répandrait dans la pièce pendant des heures.

Théorie du mouvement brownien : marches aléatoires.

La théorie de Smoluchowski-Einstein explique les lois de la diffusion et du mouvement brownien. Nous pouvons considérer ces modèles en utilisant l’exemple de la diffusion. Si la vitesse de la molécule est toi, puis, se déplaçant en ligne droite, dans le temps t je tiendrai la distance L = Utah, mais en raison de collisions avec d'autres molécules, cette molécule ne se déplace pas en ligne droite, mais change continuellement la direction de son mouvement. S’il était possible de dessiner le trajet d’une molécule, cela ne serait fondamentalement pas différent des dessins obtenus par Perrin. D'après ces figures, il est clair qu'en raison d'un mouvement chaotique, la molécule est déplacée d'une certaine distance. s, nettement inférieur à L. Ces quantités sont liées par la relation s= , où l est la distance parcourue par une molécule d’une collision à une autre, le libre parcours moyen. Les mesures ont montré que pour les molécules d'air à pression atmosphérique normale, l ~ 0,1 μm, ce qui signifie qu'à une vitesse de 500 m/s, une molécule d'azote ou d'oxygène parcourra la distance en 10 000 secondes (moins de trois heures). L= 5 000 km, et se déplacera de la position d'origine de seulement s= 0,7 m (70 cm), c'est pourquoi les substances se déplacent si lentement en raison de la diffusion, même dans les gaz.

Le chemin d’une molécule résultant de la diffusion (ou le chemin d’une particule brownienne) est appelé marche aléatoire. Des physiciens pleins d'esprit ont réinterprété cette expression comme la marche d'un ivrogne - « le chemin d'un ivrogne ». En effet, le mouvement d'une particule d'une position à une autre (ou le chemin d'une molécule subissant de nombreuses collisions) ressemble au mouvement d'une personne ivre. cette analogie permet aussi de déduire tout simplement que l'équation de base d'un tel processus est basée sur l'exemple du mouvement unidimensionnel, facile à généraliser au tridimensionnel.

Supposons qu'un marin ivre sorte d'une taverne tard dans la nuit et se dirige vers la rue. Après avoir parcouru le chemin jusqu'à la lanterne la plus proche, il s'est reposé et est allé... soit plus loin, jusqu'à la lanterne suivante, soit en arrière, à la taverne - après tout, il ne se souvient pas d'où il venait. La question est : va-t-il un jour quitter la courgette, ou va-t-il simplement se promener autour d'elle, tantôt s'éloigner, tantôt s'en approcher ? (Une autre version du problème indique qu'il y a des fossés sales aux deux extrémités de la rue, là où se terminent les lampadaires, et demande si le marin pourra éviter de tomber dans l'un d'eux.) Intuitivement, il semble que la deuxième réponse soit correcte. Mais c'est inexact : il s'avère que le marin s'éloignera progressivement du point zéro, bien que beaucoup plus lentement que s'il marchait dans une seule direction. Voici comment le prouver.

Après être passé une première fois au feu le plus proche (à droite ou à gauche), le marin se trouvera à distance s 1 = ± l à partir du point de départ. Puisque nous ne nous intéressons qu'à sa distance à ce point, mais pas à sa direction, nous allons nous débarrasser des signes en mettant au carré cette expression : s 1 2 = l 2. Au bout d'un certain temps, le marin, ayant déjà terminé N"errant", sera à distance

s N= depuis le début. Et après avoir marché de nouveau (dans une direction) jusqu'à la lanterne la plus proche, à distance s N+1 = s N± l, ou, en utilisant le carré du déplacement, s 2 N+1 = s 2 N± 2 s N l + l 2. Si le marin répète ce mouvement plusieurs fois (depuis N avant N+ 1), puis par moyennage (il passe avec une probabilité égale Nème pas vers la droite ou vers la gauche), terme ± 2 s N Je vais annuler, donc c'est 2 N+1 = s2 N+ l 2> (les crochets angulaires indiquent la valeur moyenne L = 3600 m = 3,6 km, tandis que le déplacement du point zéro pour le même temps sera égal à seulement). s= = 190 m Dans trois heures ça passera. L= 10,8 km, et se déplacera de s= 330 m, etc.

Travail toi l dans la formule résultante peut être comparé au coefficient de diffusion qui, comme l'a montré le physicien et mathématicien irlandais George Gabriel Stokes (1819-1903), dépend de la taille des particules et de la viscosité du milieu. Sur la base de considérations similaires, Einstein a dérivé son équation.

La théorie du mouvement brownien dans la vie réelle.

La théorie des marches aléatoires a d’importantes applications pratiques. On dit qu'en l'absence de repères (le soleil, les étoiles, le bruit d'une autoroute ou d'une voie ferrée, etc.), une personne erre en rond dans la forêt, à travers un champ dans une tempête de neige ou dans un épais brouillard, revenant toujours à son lieu d'origine. En fait, il ne marche pas en rond, mais à peu près de la même manière que les molécules ou les particules browniennes se déplacent. Il peut retourner à sa place d'origine, mais seulement par hasard. Mais il croise son chemin à plusieurs reprises. On raconte également que des personnes gelées par une tempête de neige ont été retrouvées « à quelques kilomètres » de l’habitation ou de la route la plus proche, mais en réalité la personne n’avait aucune chance de parcourir ce kilomètre à pied, et voici pourquoi.

Pour calculer de combien une personne se déplacera à la suite de marches aléatoires, vous devez connaître la valeur de l, c'est-à-dire la distance qu'une personne peut parcourir en ligne droite sans aucun repère. Cette valeur a été mesurée par le docteur en sciences géologiques et minéralogiques B.S. Gorobets avec l'aide d'étudiants volontaires. Bien sûr, il ne les a pas laissés dans une forêt dense ou sur un terrain enneigé, tout était plus simple - l'étudiant a été placé au centre d'un stade vide, les yeux bandés et invité à marcher jusqu'au bout du terrain de football en silence complet (pour exclure l'orientation par les sons). Il s’est avéré qu’en moyenne, l’élève marchait en ligne droite sur seulement 20 mètres environ (l’écart par rapport à la ligne droite idéale ne dépassait pas 5°), puis commençait à s’écarter de plus en plus de la direction initiale. Finalement, il s'arrêta, loin d'avoir atteint le bord.

Supposons maintenant qu'une personne marche (ou plutôt erre) dans la forêt à une vitesse de 2 kilomètres par heure (pour une route c'est très lent, mais pour une forêt dense c'est très rapide), alors si la valeur de l est de 20 mètres, puis en une heure il parcourra 2 km, mais ne se déplacera que de 200 m, en deux heures - environ 280 m, en trois heures - 350 m, en 4 heures - 400 m, etc. Et se déplaçant en ligne droite à à une telle vitesse, une personne marcherait 8 kilomètres en 4 heures, donc dans les consignes de sécurité pour les travaux sur le terrain il y a la règle suivante : si des repères sont perdus, il faut rester sur place, installer un abri et attendre la fin du mauvais temps (le soleil peut se montrer) ou pour obtenir de l'aide. Dans la forêt, des repères - arbres ou buissons - vous aideront à vous déplacer en ligne droite, et à chaque fois vous devrez vous en tenir à deux de ces repères - l'un devant, l'autre derrière. Mais bien sûr, il est préférable de prendre une boussole avec soi...

Ilya Leenson

Littérature:

Mario Liozzi. Histoire de la physique. M., Mir, 1970
Kerker M. Mouvements browniens et réalité moléculaire avant 1900. Journal d'éducation chimique, 1974, vol. 51, n° 12
Leenson I.A. Réactions chimiques. M., Astrel, 2002

Brown est une orthographe russe traditionnelle du nom de famille du scientifique (plus correctement, Brown).

Biographie

D’un point de vue nouveau, il envisage le monde végétal dans « Remarques générales sur la Botanique de Terra Australis"(Londres, 1814) et dans ses travaux ultérieurs sur la répartition des familles de plantes en Australie révélèrent toute la profondeur de sa vision de la nature. Plus tard, il en publia un autre " Supplémentum primum florae Novae Hollandiae" (Londres, 1830), dont le matériel était des herbiers collectés par les derniers chercheurs.

Il composa également des sections de botanique dans les rapports de Ross, Parry et Clapperton, voyageurs dans les pays polaires, et aida le chirurgien Richardson, qui collectionna beaucoup de choses intéressantes lors de son voyage avec Franklin ; décrit progressivement les herbiers collectés par : Horsfield à Java en 1802-1815, Oudney et Clapperton en Afrique centrale, Christian Smith, compagnon de Takki, lors d'une expédition le long du Congo.

Membre (depuis 1810). De 1810 à 1820, Robert Brown fut responsable de la bibliothèque linnéenne et des vastes collections de son mécène Banks, président de la Royal Society de Londres. En 1820, il devient bibliothécaire et conservateur du département botanique du British Museum, auquel les collections de ce dernier furent transférées après la mort de Banks. Grâce à ces collections, à la bibliothèque et à la masse de plantes de divers pays dont il était toujours entouré, Brown était le meilleur expert en plantes.

Le système naturel lui doit beaucoup : il a recherché la plus grande simplicité possible tant dans la classification que dans la terminologie, a évité toute innovation inutile ; a fait beaucoup pour corriger les définitions des anciennes familles et fonder de nouvelles familles. Dans sa classification des plantes supérieures, il a divisé les angiospermes et les gymnospermes.

Il a également travaillé dans le domaine de la physiologie végétale : il a étudié le développement de l'anthère et le mouvement des corps plasmatiques qui s'y trouvent. En 1827, Brown découvrit le mouvement des grains de pollen dans un liquide (qui portera plus tard son nom). En examinant le pollen au microscope, il a découvert que dans la sève des plantes, les grains de pollen flottants se déplacent de manière complètement chaotique en zigzag dans toutes les directions. Brown fut le premier à identifier le noyau d'une cellule végétale et publia cette information en 1831. Ces études sont contenues dans les volumes 4 et 5, traduits en allemand par Nees von Esenbeck" Vermischten Botan. Schriften"(5 vol., Nuremberg, 1827-1834).

Les mérites de Robert Brown en botanique étaient évidents et, en 1849, il devint président de la Linnean Society de Londres, où il servit la science jusqu'en 1853.

Après sa mort le 10 juin 1858, Bennett publia « Les ouvrages botaniques divers de Robert Brown" (3 volumes, Londres, 1866-1868).

Robert Brown est enterré au cimetière de Kensal Green. Cimetière de Kensal Green) à Londres.

voir également

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Remarques

Littérature

• Ford B.J. Mouvement brownien dans le pollen de Clarkia : une reprise des premières observations // .

Liens

• Brown Robert // Dictionnaire encyclopédique de Brockhaus et Efron : en 86 volumes (82 volumes et 4 supplémentaires). - Saint-Pétersbourg. , 1890-1907. (Récupéré le 2 octobre 2009)
• Brown Robert // Grande Encyclopédie soviétique : [en 30 volumes] / ch. éd. A.M. Prokhorov. - 3e éd. -M. : Encyclopédie soviétique, 1969-1978. (Récupéré le 2 octobre 2009)
• Khramov Yu. Brown Robert (Brown, Robert) // Physiciens : Référence biographique / Ed. A. I. Akhiezer. - Éd. 2e, rév. et supplémentaire - M. : Nauka, 1983. - 400 p. - 200 000 exemplaires.(en traduction)
• sur le site officiel de l'Académie des sciences de Russie

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Extrait caractérisant Brown, Robert

Danser au microscope

Au début du XIXe siècle, les microscopes étaient déjà des structures optiques complexes constituées de plusieurs lentilles bien polies et déplacées les unes par rapport aux autres.

Avec leur aide, il a été possible d'obtenir une augmentation significative et le champ de vision est resté clair, dépourvu de tout défaut ou distorsion.

Devant les « yeux brillants » d'un microscope aussi perfectionné, le botaniste anglais Robert Brown a décidé de présenter non pas une feuille de plante ou une coupe d'arbre, mais... une petite goutte d'eau contenant du pollen végétal mélangé. En regardant au microscope, Brown était étonné : le pollen ne se dissolvait pas dans l'eau, mais se brisait en petites boules, et ces boules se déplaçaient dans une sorte de danse fantastique !

Des observations à long terme ont convaincu Brown que les mouvements des particules de pollen n'étaient pas causés par des « courants sous-marins » dans une goutte de liquide ou par de légères secousses du support du microscope. Non, chaque particule se déplaçait complètement séparément des autres ; il n’y avait aucune cohérence dans les mouvements brusques des particules de pollen. Des forces inconnues et incompréhensibles pour Brown les ont forcés à se comporter si étrangement...

De nombreux scientifiques ont répété les expériences de Brown et ont observé la même image au microscope. Les mouvements mystérieux du pollen végétal dans une goutte de liquide sont appelés mouvement brownien.

De plus en plus de scientifiques ont émis une hypothèse raisonnable : le mouvement découvert par Brown était provoqué par des chocs de molécules liquides invisibles au microscope. Attaquées par des molécules de tous côtés, les particules de pollen se déplacent dans la direction dans laquelle il y a moins d'impacts à cette seconde.

Le mouvement brownien a été découvert non seulement dans les liquides, mais aussi dans les gaz. De plus, il s’est avéré que de petits grains d’or mélangés à de l’eau se comportaient exactement de la même manière lors des observations optiques.

Les fleurs ne plaisent pas seulement à nos yeux, mais servent également la science. Le pollen des fleurs a permis de découvrir le mouvement brownien, provoqué par les mouvements chaotiques des molécules liquides.

Les chercheurs ont découvert qu'à mesure que la température d'un liquide ou d'un gaz augmente, les particules commencent à se déplacer beaucoup plus rapidement. Apparemment, la poussée des molécules devient plus fréquente.

Le physicien français Jean Perrin a décidé de reproduire artificiellement le mouvement brownien en fabriquant de petites boules de gomme-résine afin d'obtenir des informations sur la taille et le nombre d'atomes et de molécules du liquide à partir d'expériences. Et Perren a réussi à le faire !

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Le botaniste anglais Nehemiah Grew (1641 - 1712) décrit l'anatomie d'une fleur et exprime l'idée que les étamines et le pollen correspondent aux organes mâles et le pistil aux organes femelles.  

Le botaniste anglais Brown (1827) a remarqué que les particules microscopiques de matière végétale se trouvent dans l'eau dans un mouvement chaotique continu et, d'après son nom, ce mouvement est appelé brownien. Il est clairement visible dans le protoplasme des cellules.  

Le botaniste anglais Robert Brown a remarqué le mouvement continu en zigzag de minuscules particules de pollen en suspension dans un liquide, mouvement qui n'était provoqué par aucun facteur externe. Il a découvert ce mouvement il y a soixante-dix-huit ans et il a été nommé Brownien en son honneur.  

En 1827, le botaniste anglais Brown, observant au microscope une suspension de pollen de fleurs dans l'eau, découvrit que les grains de pollen se déplaçaient constamment de manière chaotique.  

En 1827, le botaniste anglais Brown, alors qu'il examinait des préparations liquides au microscope, découvrit accidentellement le phénomène intéressant suivant. Les minuscules particules solides en suspension dans le liquide effectuaient des mouvements rapides et aléatoires, comme si elles sautaient d'un endroit à l'autre.  

En 1827, le botaniste anglais Brown, observant au microscope, découvrit que le pollen des plantes qu'il étudiait, lorsqu'il était en suspension dans l'eau, était en mouvement oscillatoire continu.  

En 1827, le botaniste anglais Robert Brown (Brown) a observé le mouvement chaotique rapide de petites particules de pollen dans l'eau, puis a établi de manière fiable le mouvement tout aussi énergétique de particules inorganiques macroscopiques dans un liquide. Cela indique que le mouvement brownien (brownien) n'est pas associé au mouvement des micro-organismes vivants, bien que Brown lui-même, basé sur l'universalité du phénomène, croyait avoir découvert les molécules primaires de la matière vivante. Au cours des soixante-dix années suivantes du siècle dernier, de nombreuses autres expériences ont été réalisées et un grand nombre d'hypothèses théoriques ont été avancées sur l'essence de l'effet observé. Un mouvement brun a été systématiquement détecté après que l’échantillon ait été conservé dans l’obscurité pendant une semaine et après avoir été chauffé pendant plusieurs heures. Il est devenu clair que le phénomène était de nature fondamentale.  

En 1827, le botaniste anglais Brown, examinant au microscope le pollen d'une plante placée dans une goutte d'eau, remarqua que les particules de pollen ne restaient pas au repos, mais se déplaçaient continuellement dans toutes les directions possibles.  

En 1827, le botaniste anglais Robert Brown, observant au microscope les particules de pollen végétal en suspension dans l'eau, découvrit qu'elles étaient en mouvement continu. Pour vérifier si ce mouvement était le résultat de l'activité vitale des cellules polliniques, Brown a mené des études similaires avec les plus petits grains de diverses substances (minérales et organiques) et a découvert que, quelle que soit la nature de la substance, le mouvement chaotique des particules est toujours observé avec un broyage suffisamment fort. La théorie de ce phénomène, appelée mouvement brownien, a été créée bien plus tard par Einstein et Smoluchowski sur la base de concepts généraux de cinétique moléculaire.  

En 1827, le botaniste anglais Broun, alors qu'il examinait des préparations liquides au microscope, découvrit par hasard le phénomène intéressant suivant. Les plus petites particules solides en suspension dans le liquide effectuaient des mouvements rapides et chaotiques, comme si elles sautaient d'un endroit à l'autre.  

Brown est considéré comme le découvreur du « mouvement brownien ». Il a apporté d'importantes contributions à la botanique, en grande partie grâce à son utilisation innovante du microscope.

Brown fut l'un des premiers à fournir des descriptions détaillées du noyau cellulaire et du mouvement intracellulaire du cytoplasme. En tant qu'auteur des premiers travaux sur la pollinisation et la fécondation, Brown fut le premier à faire la distinction entre les gymnospermes et les angiospermes.

Robert Brown (plus correctement - Brown) est né le 21 décembre 1773 à Montrose. Son père était prêtre de l'Église épiscopale écossaise, avec des convictions jacobites si fortes qu'en 1788, il abandonna son église et prêta allégeance à George III. La mère de Robert était la fille d'un pasteur presbytérien.

En entrant à l’Université d’Édimbourg, Brown passe progressivement de la médecine à la botanique, ce qui le fascine. Il assiste aux conférences de John Walker et participe à des expéditions botaniques en Écosse, seul ou avec George Don. Durant cette période, Robert découvre une nouvelle espèce végétale, la sétaire alpine (Alopecurus alpinus).

Son premier ouvrage botanique, L'histoire botanique d'Angus, a été lu à la Société d'histoire naturelle d'Édimbourg en 1972, mais n'a pas été publié du vivant de Brown.

Robert fut expulsé de l'université en 1793, appelé au service militaire et réaffecté à un régiment en Irlande. En juin 1795, il devient chirurgien adjoint de l'armée, mais, pour l'essentiel, il s'occupe de sa botanique préférée - en raison de l'inactivité de son régiment.

Au cours de cette période, Brown a été déçu par le mode de vie nomade, qui ne lui permettait pas de créer une bibliothèque personnelle et de reconstituer correctement la base de données de spécimens, et s'est particulièrement intéressé aux spécimens sans fleurs.

Vers 1800, Robert avait acquis la réputation d’être l’un des botanistes irlandais les plus éminents et était en correspondance avec de nombreux collègues éminents, dont James Edward Smith, fondateur de la Linnean Society de Londres.

En décembre 1800, Brown se vit offrir le poste de naturaliste lors d'une expédition à bord du navire Investigator pour explorer la côte australienne. L'expédition a commencé en 1801. Robert a visité diverses régions d'Australie, visité la Tasmanie et les îles du détroit de Bass.

Fasciné par l'étude de la flore et de la faune, Brown resta en Australie jusqu'en mai 1805. À son retour en Angleterre, l'Écossais a passé les cinq années suivantes à travailler sur le matériel collecté : 4 000 espèces de plantes, de nombreux oiseaux et minéraux.

En 1809, Robert lut un article intitulé « Sur l'ordre naturel des plantes appelées Proteaceae » dans la Linnean Society de Londres. L'ouvrage fut publié en mars 1810 sous le titre « Sur les Protéacées de Jussieu ». Ce travail a des implications importantes pour la taxonomie des Protéacées, ainsi que pour la fleuristerie australienne et l'application des données palynologiques à la taxonomie.

Une grande partie de Sur les Protéacées de Jussieu a été appropriée par Richard Anthony Salisbury, qui a mémorisé le matériel après l'avoir lu à la Linnean Society. Les données empruntées furent insérées en 1809 dans une publication de Joseph Knight sur la culture des plantes appartenant à la famille des Protéacées.

En 1810, Brown publia son célèbre Prodromus Florae Novae Hollandiae et Insulae Van Diemen, le premier compte rendu systématique de la flore australienne. La même année, Robert succède à Jonas C. Dryander comme bibliothécaire de Sir Joseph Banks. Après la mort de Banks en 1820, Brown hérita de sa bibliothèque et de ses herbiers. Cette collection fut transférée au British Museum en 1827.

En 1818, Robert publie « des remarques géographiques et systématiques sur les herbiers rassemblés par le professeur Christian Smith dans le voisinage immédiat du Congo ». En 1822, Brown fut élu membre de la Linnean Society et membre étranger de l'Académie royale des sciences de Suède.

Dans une conférence donnée à la Linnean Society en 1831 et publiée en 1833, Brown a inventé le terme « noyau cellulaire ». Le noyau lui-même dans une cellule végétale a probablement été identifié bien plus tôt, en 1682, par le fondateur néerlandais de la microscopie scientifique, Antoni van Leeuwenhoek. On sait également qu'en 1802 Franz Bauer a dessiné le noyau comme élément permanent des cellules végétales.

Cependant, c'est à Brown que l'on attribue la découverte du noyau cellulaire. Dans le même temps, ni Brown ni Bauer ne pensaient que le noyau était universel, et le premier pensait que la présence d'un noyau était principalement caractéristique des plantes monocotylédones.

Robert resta président de la Linnean Society de 1849 à 1853. Il mourut au 17 Dean Street, Soho Square, Londres, le 10 juin 1858.

En 1827, alors qu'il examinait au microscope le pollen liquide de la plante Clarkia pulchella, Brown observa la libération de petites particules connues aujourd'hui sous le nom d'amyloplastes et de sphérosomes à partir des grains de pollen. Les grains de pollen flottant dans la sève de la plante se déplaçaient dans toutes les directions, selon un motif en zigzag complètement chaotique.

Robert a ensuite remarqué le même mouvement continu dans les substances inorganiques, les poussières et les poudres minérales, ce qui lui a permis de développer l'hypothèse que ce mouvement est caractéristique des particules non seulement d'origine organique.

Brown n'a pas réussi à expliquer l'essence du phénomène. On sait également que le chimiste et physicien néerlandais Jan Ingenhousz avait déjà signalé un effet similaire en utilisant des particules de charbon dans des publications allemandes et françaises en 1784 et 1785. Cependant, le mouvement a été qualifié de « brownien ».

Ces dernières années, des doutes sont apparus quant à la capacité des microscopes de Brown à être suffisamment puissants pour détecter le mouvement des grains de pollen. En 1991, le microscopiste britannique Brian J. Ford a présenté une démonstration utilisant le microscope original de Brown et a prouvé que le botaniste écossais pouvait voir le « mouvement brownien ».